第十章过程控制系统 实例

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1、主要内容,10.1 过程控制系统设计概述 10.2 干燥过程的控制系统设计 10.3 电厂燃煤锅炉控制 10.4 选煤过程控制,第十章 过程控制系统实例,10.1 过程控制系统设计概述-要求,安全性 -在整个生产过程中，确保人员设备的安全。通常采用参数越限报警、事故报警、连锁保护等措施加以保证。 2) 稳定性 -系统在一定的外界扰动下，在系统参数、工艺条件一定的变化范围内，能长期稳定运行的能力。 -准确性:系统被控量的实际运行状况与希望状况之间的偏差要小，使系统具有足够的控制精度。 -快速性:系统从一种工作状态向另一种工作状态过渡的时间要短。 3) 经济性 -提高产品质量、产量的同时，降耗节能

2、，提高经济效益与社会效益。,10.1 过程控制系统设计概述-步骤,1.熟悉系统的技术要求或性能指标,2.建立被控过程的数学模型,3.确定控制方案,4.根据系统的动态和静态特性进行理论分析与综合,5.实验验证,6.工程设计,7.工程安装,8.控制器的参数整定,10.1 过程控制系统设计概述-控制方案确定,1.被控变量的选择, 尽量选用对产品的产量和质量、安全稳定生产、经济运行等具有决定性作用、并且可以直接检测的工艺参数作为被控变量（直接变量）。被控变量要兼顾工艺上的合理性和检测仪表的可行性、可靠性。 当直接变量难以获得，或检测滞后较大时，应选取与直接变量具有单值函数关系的间接变量作为被控变量。间

3、接变量对直接变量应具有较高的控制灵敏度。 当直接变量不可测量时，往往可以采用推断控制获得实际取值。寻找与直接变量存在一定函数关系、可靠、容易测量的辅助变量。,10.1 过程控制系统设计概述-控制方案确定,2.控制变量的选择,两条通道的过程参数不一定相同，其对系统的影响也不一样。,干扰通道,控制通道,2.控制变量的选择-干扰通道特性对控制质量的影响,1) 干扰通道静态增益Kf对控制质量的影响,10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定,Kf越小越好,以减弱扰动对被控参数的影响；,2) 干扰通道时间常数Tf对控制质量的影响,一阶惯性环节的干扰通道传递函数为一个一阶滤波器,其时间常数Tf越大,滤波能

4、力越强,扰动越易于克服。,3) 干扰通道时延时间f对控制质量的影响,干扰通道的纯滞后,不影响系统的控制质量。当干扰通道存在容量滞后时,将对系统克服扰动有益。,当扰动位置离被控参数越近,扰动对它的影响越大。 当扰动离被控参数越远即离调节阀越近,扰动对其影响越小, 系统设计时,应使扰动作用点远离被控参数.,2.控制变量的选择-干扰通道特性对控制质量的影响,10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定,4) 干扰进入系统的位置对控制质量的影响,10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定,2.控制变量的选择-控制通道特性对控制质量的影响,1) 控制通道静态增益Ko对控制质量的影响,控制通道的放大系数K0

5、越大,表示控制作用越灵敏, 克服扰动的效果愈好; 最佳控制过程是K0与Kc 的乘积为常数,调节器Kc可调节，因此,选择控制通道的K0 适当大些。,1)选择过程控制通道的放大系数K0 要适当大些; 时间常数T0要适当小些; 纯滞后时间 越小越好, 在有纯滞后的情况下, 与T0 之比小一些(小于1 ). 2) 选择过程扰动通道的放大系数Kf应尽可能小些; 时间常数Tf要大; 扰动引入系统的位置要远离控制过程; 容量滞后越大越有利控制 3) 广义过程选择参数时,应尽量设法把几个时间常数错开,使其中一个时 间常数比其它时间常数大得多,同时注意减小第二, 第三个时间常数. 4) 注意工艺操作的合理性经济

6、性.,10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定,2.控制变量的选择-控制通道特性对控制质量的影响,10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定,3. 被控变量的检测与变送,测量元件安装位置不当及测量仪表本身特性等,易引入纯滞后。,使测量信号不能及时反映被控参数的实际值, 引起测量动态误差, 降低过程控制系统的控制质量。,10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定,4.执行器的选择,1）执行器的选型 综合考虑生产过程的特点、对执行器推力的需求、被控介质特性及安全 性等因素来确定执行器类型。 2）气动执行器的气开、气关形式选择 控制器输出信号为零或气源中断时使生产过程处于安全状态； 在系统安全运行

7、的条件下，综合考虑节能、控制便捷等因素。 3）调节阀尺寸的选择 调节阀尺寸主要包括调节阀的开度和口径大小。 在正常运行条件下，一般要求调节阀开度处于15%85%之间。 4）调节阀流量特性的选择 为保证系统总的开环增益在整个工作范围内都保持线性、恒定,需要通 过选择调节阀的非线性流量特性来补偿被控过程的非线性特性。,确定调节阀的气开气关形式 气开（+），气关（-） 确定被控过程的正反作用 正（输入增加输出，+），反（-） 确定调节器的正反作用方式 正（输入增加输出，-），反（+）,系统的开环传递函数各个环节的静态放大系数极性相乘为正,10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定,5.控制器调节规律

8、的选择-控制器正/反作用方式,1）广义过程控制通道时间常数较大或容量滞后较大，引入D调节； 工艺容许有静差时，选用PD调节；工艺要求无静差时，选用PID调节。 2）控制通道时间常数小、负荷变化不大且要求允许有静差，选用P调节。 3）控制通道时间常数较小、负荷变化不大，工艺要求无静差，选用PI调节。 4）控制通道时间常数很大且纯滞后时间较大、负荷变化剧烈，简单控制系统 难以满足工艺要求，应采用复杂控制系统或其他控制方案。,10.1过程控制系统设计概述-控制方案确定,5.控制器调节规律的选择-原则,o/To1.0，简单控制系统一般难以满足要求，需要采用其他控制方式。,10.1过程控制系统设计概述工

9、程设计,用图样资料和文件资料表达控制系统设计思想和实现过程，并能按图样进行施工。,主要内容： 熟悉工艺流程、确定控制方案，完成工艺流程图和控制流程图绘制； 在仪表选型的基础上完成有关仪表信息的文件编制； 完成控制室的设计及其相关条件的设计； 完成信号连锁系统的设计； 完成仪表供电、供气关系图及管线平面图的绘制； 完成有关的其他设备、材料的选用情况统计及安装材料表的编制； 完成抗干扰和安全设施的设计； 完成设计文件的目录编写等。,10.1过程控制系统设计概述工程设计,1）立项报告设计 控制方案以及电源、气源、仪表、控制室和仪表盘布置等的确定； 确定企业自身及其协作单位的设计任务分工； 说明设计依

10、据及其在国内外同行业中的采用情况； 提供设备清单（价格、供货商等）、经费预算、参加人员等说明； 预测并分析系统的经济效益等。,具体步骤,2）施工图设计 系统实施的具体技术文件和图样资料，包括:图样目录、说明书、设备汇总表、设备装置数据表、材料表、连接关系表、测量管路和绝热伴热方式表、信号原理图、平面布置图、接线图、空视图、安装图、工艺管道和仪表流程图、接地系统图等。,10.1过程控制系统设计概述工程设计,1）干扰的来源 电磁辐射干扰：雷电、无线电广播、电视、电网和电气设备产生， 空间分布范围大、强弱差异大、性质复杂。 引入线传输干扰：外部电磁波干扰和电力设备，产生电网感应电压和电 流，导致采用

11、电网供电的工业控制机系统发生故障； 空间电磁辐射和共用信号仪表供电电源，在信号引入 线上产生电磁感应和电网干扰，引起I/O接口工作异 常和测量精度降低，甚至损坏元器件。 接地系统干扰：模拟地、逻辑地、屏蔽地、交流地和保护地等。 接地系统混乱使大地电位分布不均，存在电位差，形 成环路电流，影响系统正常工作。 系统内部干扰：来自于系统内部元器件相互之间的电磁辐射。,控制系统的抗干扰和接地设计,10.1过程控制系统设计概述工程设计,2）抗干扰措施 隔离：保证绝缘材料的耐压等级、绝缘电阻必须符合规定； 采用尽量减少干扰对信号影响的布线方式； 采用隔离器件将供电系统与电气线路隔断。 屏蔽：用金属导体将被

12、屏蔽的元件、电路、信号线等包围。 滤波：在信号线和地之间并接电容，减少共模干扰； 在信号两极间加装型滤波器，可减少差模干扰。 避雷保护：信号线穿在接地金属管内，或敷设在接地封闭的金属汇线槽 内，使因雷击而产生的冲击电压与大地短接。,控制系统的抗干扰和接地设计,10.1过程控制系统设计概述工程设计,3）接地系统设计 保护性接地方式：将电子设备的接地点与厂区电气系统接地网相连； 工作接地：若厂区电气系统接地网接地电阻较小、设备制造厂无特殊要求，工作接地直接与电气系统接地网相连；若电气系统接地网接地电阻较大或设备制造厂有特殊要求，则独立设置接地系统； 特殊要求接地方式：本质安全仪表应独立设置接地系统

13、，并要求与电气系统接地网相距5m以上；同一信号回路、同一屏蔽层、各仪表回路和系统只能用一个（信号回路）接地点，各接地点之间的直流信号回路需隔离；仪表类型不同，信号回路的接地位置也不同。,控制系统的抗干扰和接地设计,10.1过程控制系统设计概述工程设计,3）接地系统设计 接地体：埋入地中并和大地接触的金属导体。 接地线：用电仪表和电子设备的接地部分与接地体连接的金属导体。 接地电阻：接地体对地电阻和接地线电阻的总和。 保护性接地电阻一般为4，最大不超过10； 工作接地电阻根据设备制造厂要求和环境条件确定，一般 为14。而且工作接地的接地线应接到接地端子或接地 汇流排（25mm6mm铜条）。,控制

14、系统的抗干扰和接地设计,对干燥后产品质量要求较高，水分含量不能波动太大,因而对干燥的温度要严格控制。温度波动小于 2 最好。,由于乳化物属于胶体物质,激烈搅拌易固化, 不能用泵输送,采用高位槽的方法。.,除去凝结块等杂质.,10.2 干燥过程的控制系统设计,工艺要求,干燥器的温度,被控参数选择,控制参数选择,选其中任一变量作为被控参数,均可构成温度控制系统,10.2 干燥过程的控制系统设计,系统设计,控制方案1-选择乳液流量作为控制变量,乳液流量是生产负荷,一般要求能保证产量稳定, 若作为控制参数,则在生产工艺上不合理,所以不宜选为控制参数,10.2 干燥过程的控制系统设计,系统设计,调节换热

15、器的蒸汽流量,以改变空气温度。由于换热器通常为一双容过程,时间常数大,此方案控制通道的滞后最大,对于干燥温度的校正作用灵敏度最差。,控制方案2-选择蒸汽量作为控制变量,10.2 干燥过程的控制系统设计,系统设计,由于混合管道过长,存在管道传输滞后, 故控制通道事件滞后较大,对于干燥温度的校正的作用的灵敏度要差些。,控制方案3-选择风量作为控制变量,10.2 干燥过程的控制系统设计,系统设计,测量元件及变送器,被控温度在600度以下，选用铂热电阻温度计 为提高检测精度，应用三线制接法 配用温度变送器,10.2 干燥过程的控制系统设计,系统设计,调节阀,选气关形式的调节阀 选用对数流量特性的调节阀

16、。 选择调节阀的公称直径和阀心直径尺寸。,根据过程特性与工艺要求,可选用PI或PID控制规律。 根据构成系统负反馈的原则,确定调节器正反作用反向。,测量变送器：Km 为正,调节阀为气关式：Kv 为负,输入空气量增加,输出亦增加：Ko 为正,选用正作用调节器：调节器Kc取负,10.2 干燥过程的控制系统设计,系统设计,控制规律选择,10.3 电厂燃煤锅炉控制,电厂生产过程,10.3 电厂燃煤锅炉控制,电厂生产过程控制要求,（1）锅炉控制,锅炉燃烧系统的控制：通过控制燃料量、送风量和引风量，使燃料所产生的热量适应蒸汽负荷需要；使燃料量与空气量之间保持一定的比值，以保证最经济燃烧，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相匹配，以保持炉膛负压在一定的范围内。 过热蒸汽系统的控制：维持过热器出口温度在允